中国西南部一次东移型暴雨中...旋发展的多尺度地形影响研究_李祥.pdf

李祥,杨帅,杨书运.2023.中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究 J.大气科学,47(1):3452.LIXiang,YANGShuai,YANGShuyun.2023.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentduringanEastward-PropagatingRainstormEventinSouthwestChinaJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(1):3452.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21072中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究李祥1,2杨帅2杨书运11安徽农业大学资源与环境学院,合肥2300002中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点试验室,北京100029摘要由观测和数值模拟结果分析发现，2019 年 8 月 56 日中国西南部的东移型致灾暴雨事件中存在三涡（南北双高原涡、西南涡）相继发展并导致暴雨加强和移动的现象。借助数值试验，研究了多尺度地形因子（青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形）各自对涡旋演变的作用。结果表明，横断山脉对西南涡的形成起关键作用，四川盆地影响着西南涡的位置和强度。对于高原涡（南侧高原涡）的移动，四川盆地地形只影响涡旋强度演变，但不会改变高原涡的移动路径。一旦横断山脉被移除，高原涡的东移现象随之消失。进一步分析青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度改变对涡旋发展的影响发现，发现坡度越陡，高原涡移动速度越快，且盆地内二涡合并后的西南涡强度越强。最后借助于倾斜涡度发展理论，解释了不同坡度对涡旋强度演变的影响：随着坡度变陡，倾斜涡度发展系数沿涡旋下滑路径快速减小，对垂直涡度局地倾向的强迫作用，加剧了涡旋的快速加强。关键词暴雨涡旋地形数值模拟文章编号1006-9895(2023)01-0034-19中图分类号P458文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21072Influence of Multi-scale Topographic Factors on Vortex Developmentduring an Eastward-Propagating Rainstorm Event in Southwest ChinaLIXiang1,2,YANGShuai2,andYANGShuyun11College of Resources and Environment,Anhui Agricultural University,Hefei 2300002Key Laboratory of CloudPrecipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029AbstractUsingobservationandnumericalsimulationresults,werevealthatthreevortexes,namelythenorthernplateauvortexes(TPV1),southernplateauvortex(TPV2),andSouthwestvortex(SWV),developedsuccessivelyduringadisaster-causingrainstormeventinSouthwestChinafromAugust5to6,2019,whichledtotheintensificationandeastwardpropagationoftherainstorm.Throughnumericalexperiments,westudytheeffectsofmulti-scaletopographicfactors(TibetanPlateauTP,HengduanCordilleraHC,andSichuanBasinSB)onvortexevolution.TheresultsshowthatHCplaysakeyroleinSWVformation,whileSBinfluencestheSWVlocationandintensity.ThetopographyoftheSBonlyaffectstheintensityofTPV2butdoesnotchangethepropagationpath.IntheabsenceofHC,theplateauvortexdoesnot收稿日期2021-04-25；网络预出版日期2021-06-16作者简介李祥，男，1996 年出生，硕士研究生，主要从事中尺度天气学研究。E-mail:通讯作者杨帅，E-mail:资助项目中国科学院战略性先导科技专项（A 类）资助 XDA23090101，国家自然科学基金资助项目 41875079、91937301、42175010Funded byStrategicPriorityResearchProgramoftheChineseAcademyofSciences(GrantXDA23090101),NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grants41875079,91937301,42175010)第47卷第1期大气科学Vol.47No.12023年1月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJan.2023propagate.TheinfluenceofslopechangeofthesteepterrainattheboundarybetweenTPandSBonvortexdevelopmentwasfurtheranalyzed.Thesteepertheslope,thefasterthepropagationspeedoftheplateauvortex,andthestrongertheSWVafterthemergingofTPV2andSWV.Finally,theimpactoftheterrainslopeontheevolutionofvortexintensitywasanalyzedaccordingtothetheoryofslantwisevorticitydevelopment.Astheslopebecomessteeper,thedevelopmentcoefficientofinclinedvorticitydecreasesrapidlyalongthevortexslidepath,andtheforcingeffectonthelocaltendencyofverticalvorticityintensifiestherapidstrengtheningofvorticity.KeywordsRainstorm,Vortex,Topography,Numericalsimulation 1 引言中国西南地区地形复杂，多尺度地形的热力作用和机械强迫，为西南地区的涡旋形成提供了适宜环境条件，利于夏季活跃的对流发展和降水发生。分别在青藏高原和四川盆地附近形成的高原涡（TPV）和西南涡（SWV）是诱发我国西南山区暴雨的重要涡旋系统。该区域山地暴雨频繁发生，成为中国雨量最多的地区之一，常常造成严重的洪涝和地质灾害（Chenetal.,2019,2020;Fuetal.,2019;周玉淑等,2019;黄楚惠等,2020;李强等,2020;罗亚丽等,2020;Yangetal.,2020）。过去研究已经证实了 TPV 对青藏高原上空降水的重要影响（Gaoetal.,1981;Shenetal.,1986;李国平等,2016;Fuetal.,2019）。根据其是否移出高原，可将高原涡分为两类：一类 TPV 生成于高原、消亡于高原，另外一类则在高原生成后向东移出高原，影响下游降水（江吉喜等,2002;Lietal.,2008;Huetal.,2016;Fuetal.,2019）。统计分析表明，第一类 TPV 占比更大，后一类型发生率则相对较低。然而，一旦 TPV 东移，其伴随的强降水对人口密集的下游地区（如四川盆地和长江中下游地区）影响更大，易引发泥石流、山洪、城市内涝等地质灾害。因此，西南地区强降水过程中的东移型 TPV 及相关物理过程的研究更应引起重视。有关 SWV 和四川盆地暴雨的研究亦大量开展（李琴等,2016;Lietal.,2017;Yangetal.,2017a,2017b;刘晓冉等,2020;罗亚丽等,2020;汤欢等,2020;王晓芳等,2020;蒲学敏和白爱娟,2021;吴志鹏等,2021）。已有研究表明，四川盆地降水与西南涡、低空急流等天气系统有关，具有明显的日变化特征，降水高峰多出现在夜间和清晨（YanaiandLi,1994;Yuetal.,2007;Yinetal.,2009）。Kuoetal.（1986）研究发现，四川盆地地形对 SWV 的形成起主导作用。Fuetal.（2010）根据 Zwack-Okossi 方程，诊断了 2003 年 6 月一次的 SWV 生成的原因，发现潜热释放和辐合是 SWV 形成的两个最重要的因素，分别占涡度方程总强迫项的42%和 15%，通过个例分析归纳出热力比动力作用对 SWV 的形成更为重要。需要指出的是，复杂地形强迫与涡旋演变和降水发展显著相关，多尺度地形对涡旋发展作用的研究是我国西南涡暴雨研究的重要方面。WangandTan（2014）利用理想模拟方法研究了高原地区SWV 形成的地形控制要素，认为青藏高原和横断山脉在控制西南涡的位置和规模上起主导作用，并为西南涡的形成提供涡流源。地形降水的日变化和对流系统的移动，与山地平原热力环流（MPS）有明显联系，该 MPS 环流是由于高原较高海拔的山地下垫面与平原上空同一水平高度处的大气热力差异造成的，导致下午时段的降水主要集中在山地，午夜降水则出现在平原地区（Qianetal.,2015;Zhangetal.,2019），降水落区与 MPS 环流上升支对应（SunandZhang,2012;Zhangetal.,2018,2019）。根据观测和模拟结果（Kuoetal.,1986;WangandTan,2014），地形的动力效应则主要表现为频繁发生的高原背风涡旋（如这里的 SWV）。特别是在四川省及其附近地区，由于青藏高原、横断山脉和四川盆地组成的复杂多尺度地形影响，为局地暴雨的准确预报带来很大困难，甚至影响高原和盆地交界处陡峭地形过渡区的数值模式稳定运行。因此，需要进一步研究多尺度地形对暴雨及相关降水物理过程的作用，找出关键地形要素以期完善地形相关物理过程参数化方案，来改进山地降水的模拟和预报。应当加强多尺度地形对涡旋发展作用的研究，找出高原涡、西南涡旋增长的关键地形归因，进而从地形要素角度出发改进涡旋降水的模拟和预测。以往研究多围绕复杂地形对西南地区降水的综合作用展开，而分离三大地形单独的贡献、剖析其对降水和涡旋移动各自影响的研究较少。特别是对于致灾严重的东移型涡旋降水，更应该探讨多尺度地形及相关物理过程对涡旋演变和降水的影响。在1期李祥等：中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究No.1LIXiangetal.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentduringan.35青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形中，究竟哪种地形要素对涡旋的增长起关键作用？青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度对涡旋发展有何影响?这些都是本文研究的重点。为解决这些问题，我们借助于 2019 年夏季青藏高原至四川盆地的一次东移涡旋降水事